氢氧发动机紧急关机测试的多路信号源设计

丁博深， 段 燕， 李艳艳

(北京航天试验技术研究所，北京 100074)

氢氧发动机是国内外液体火箭发动机发展趋势之一，近年来得到蓬勃发展。在氢氧发动机地面试验准备过程中，要对地面试验系统进行程序检查，主要目的是验证发动机试验出现参数异常时，测控系统能否及时执行自动紧急关机程序[1]。程序检查时，通常需要用到3类信号源模拟发动机上的关键参数，信号类型包括：正弦波频率信号、毫伏级电压信号和高/低电平信号。根据程序检查实际需求，每次测试8～10个关机条件，每个条件需人工将多个模拟信号调节至特定范围，这种调节方式不仅影响了试验准备效率，还存在人工误操作风险。

目前，国内氢氧发动机试验程序检查时，实现模拟信号加载的方式普遍有两种：一种是用多台信号源实现信号模拟；另一种方式是将多路频率发生器和电压信号源客制化在一台设备上，该方式较第一种方式减少了信号源设备，但每次程序检查仍需根据不同关机条件分别调整多个模拟信号大小。此外，还有基于NI板卡简易的模拟紧急关机参数方式，但需要控制器和模块支持，只适用于基于NI采集控制设备的系统。

由于每个关机条件中的要调节的模拟信号范围相对固定，为了实现控制每个条件的信号同时自动输出，本文用STM32F103ZET6作为主控制芯片，通过SPI与AD9851通信，令其产生预设的频率信号，通过串行传输与DAC8554通信，令其产生预设的毫伏级电压信号，为了进一步降低偏移误差，获得更高的分辨力，电压输出后用精密电阻分压，实现了精准的低电压输出。同时，STM32的I/O口控制三极管输出高/低电平信号。用串口屏实现人机交互。通过单击屏幕上不同条件按键，向STM32发出不同指令，对应输出所需的一系列信号。

1 背景

目前氢氧发动机试验自动紧急关机的参数判读由采集系统的工控机完成。若出现异常，工控机发送DO信号给控制台执行紧急关机操作，如图1所示。紧急关机判读的参数随发动机原理不同而各异，由相应的传感器转换成电信号传输给采集系统，通常包括转速和压力参数。某些型号发动机高空模拟试验判读参数还包括真空压力参数。

图1 紧急关机过程框图

信号源设计要求与传感器输出形式和量级相关。试验所用的应变式压力传感器，最大输出约10 mV，因此，电压模拟信号范围要求在0～10 mV之间。为了保证模拟的压力信号稳定和设置的关机条件的准确性，要求电压设置精度优于0.5 mV，分辨力优于0.5 mV，噪声峰峰值小于1 mV。

真空压力测量通常使用电容薄膜式或压阻式变送器，输出4～20 mA电流信号并通过采样电阻转为1～5 V电压信号。试验时，当真空度高于一定数值，即真空传感器输出5 V以上电压时，认为满足关机条件，执行紧急关机。因此，真空压力的模拟信号输出≥5 V和≤1 V的两种电平信号，即可满足程序检查需求。

转速信号的输出是正弦波电压信号，该信号通过预处理仪转成TTL电平，采集系统通过测量TTL周期来实现频率测量，如图2所示。根据程序检查需求，信号源需满足可程序控制输出0～1 kHz正弦波信号，设置精度优于1 Hz，分辨力优于1 Hz。

图2 频率测量原理图

2 电路设计

信号源主控芯片为意法半导体(ST)的STM32F103ZET6单片机，其具有3个SPI通信口、5个串口、2个12-bit的D/A，最高主频72 MHz，满足信号源自动控制功能的实现，在低功耗、低电压运行等基础上实现了高性能。信号源原理框图如图3所示。

图3 信号源原理框图

2.1 电源设计

(1) 带载能力。

对负载芯片功耗进行统计计算。STM32F103在不同应用条件下，工作电流不同，最大为150 mA；DAC8554不同供电电压下，工作电流不同，最大为0.95 mA[2]；5 in HMI电阻屏非SLEEP模式额定电流为350 mA；AD9851不同供电电压下额定电流[3]如表1所示。

表1 AD9851额定电流

假设仅用线性电源，理论上总电流如表2所示。

表2 总电流计算 单位：mA

表2每个芯片以额定电流最大值计算，忽略电阻损耗。计算结果显示整个电路驱动电流约为761.9 mA，小于1 A，信号源设备采用带负载能力1 A的电源。

(2) 散热。

STM32工作电压VDD=2～3.6 V，本文选择3.3 V供电；DAC8554和AD9851数模两部分电源供电分开，供电电压3.3 V或5 V。为了最小化系统，提高转换效率，采用开关电源变压后给信号源供电。同时，采取表3所列措施减少电流输出，减小压降，从而降低热耗。

表3 降低热耗措施

表3中的措施3是为了保证模拟信号输出较低噪声，采用散热较好的D2PAK封装L7805线性稳压器输出5 V电压，其热性能参数如表4所示。

表4 L7805热性能参数

用以下公式[4]计算散热功率:

T=T0+RthJA×P

(1)

式中，T为电路正常工作时，线性稳压器的温度；T0为环境温度；P为线性稳压器以热形式耗散的功率。

通过式(1)计算L7805理论温升小于23 ℃。室温20 ℃下，其实际温度仅比体温稍高。

(3) 干扰。

为了减小数模之间干扰，将数字和模拟部分的5 V供电分开，一路由金升阳DC-DC模块K7805为数字部分供电，一路由ST公司的L7805为模拟部分供电，压降到5 V后，各自进LDO芯片AMS1117-3.3，实现3.3 V输出，如图4所示。通常数字电路干扰较大，除数模电源分开外，模拟地与数字地也分开敷设，最终在9 V电源负处汇集，防止干扰。

图4 电源设计框图

2.2 电压模拟信号设计

为实现可控的电压模拟信号输出，采用D/A转换的方式。由设计要求，输出至少有0.5 mV的分辨力。参考电压为4.5 V，位数由式(2)计算得出，12位以上的D/A可满足要求。

4500mV÷0.5mV=9000>212

(2)

为了达到更高分辨力，电压模拟信号输出采用D/A芯片DAC8554，该芯片是德州仪器(TI)公司推出的一款4路16位D/A芯片。主要性能指标如表5所示。

表5 DAC8554主要性能指标

该芯片具有较高分辨力，参考电压5 V下，模拟量输出分辨力约0.08 mV。信号源采用2个DAC8554，实现8路电压信号输出。

芯片电路设计原理图如图5所示。

图5 DAC8554电路设计原理图

由于D/A输出的稳定性依赖于参考电压，这里采用REF5045电压基准芯片[5]的输出作为VREFH参考。

2.3 频率模拟信号设计

正弦波频率输出采用AD9851芯片，该芯片是亚德诺半导体(ADI)公司的一款高集成度DDS频率合成器，主要性能指标如表6所示，满足频率分辨力优于1 Hz的设计要求。信号源采用2片AD9851，实现2路频率信号输出。

表6 AD9851主要性能指标

频率发生芯片AD9851用SPI进行通信，通过串行模式输送数据，减少端口占用。电路原理图[6～8]如图6所示。

图6 AD9851电路设计原理图

2.4 高低电平电路设计

利用三极管的截止/饱和工作状态可模拟输出高/低电平状态，原理图如图7所示。

图7 三极管原理图

单片机输出数字信号Pin为“0”时，三极管截止，Pout输出高电平DVCC(5 V)； Pin为“1”时，三极管饱和，Pout输出低电平VCE(sat)。信号源用2个三极管开关电路，实现2路高低电平信号输出。

3 软件设计

在Keil MDK开发环境下对STM32控制和交互程序进行设计[9]，编程逻辑基于中断，若HMI串口屏的Tx发送数据，STM32产生中断接收数据，根据接收数据不同输出不同模拟信号。程序流程图如图8所示。

图8 STM32程序流程图

3.1 STM32与AD9851通信

AD9851默认为并行传输模式，因本文使用的是串行传输模式，需设置D7～D0为xxxxx011。

上电后，STM32控制RESET(高电平有效)置0，接着对RESET置1，置1时长大于5个时钟周期，此时AD9851开启默认的并行传输模式，随后，立即执行图9所示的时序设置，才能顺利完成串行设置。

图9 AD9851串行设置时序图

值得注意的是，根据AD9851传输时序(如图10所示)，STM32的SPI应设置为：串行同步时钟的空闲状态为低电平，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样；数据传输从LSB位开始。然后使能SPI，进行40个控制字的传输，设置完成后，AD9851实现波形输出。

图10 AD9851传输时序图

3.2 STM32与DAC8554通信

DAC8554输出电压与参考电压和分辨力相关，计算公式为

(3)

式中，DIN为要输入给DAC寄存器的二进制数。本文的VREFL=0，VREFH=4.5 V，根据不同输出值，可计算出16位DIN。设置好包括DIN在内的24位控制字后，根据DAC8554设置时序，对STM32进行程序编写。

DAC8554输出的稳定性依赖于电压基准，而4路通道输出电压的准确性则与表5中的性能指标有关。因此，实际使用中，程序中所用的DIN和VOUT关系公式需要校准。本文采用简单的两点线性校准：设置485和64741两个16位数据作为DIN，用六位半表分别测量两个数字量的输出电压VOUT，根据两组数字量和电压值，拟合一条直线(其中b为斜率，a为截距)，作为DIN和预设输出电压VOUT的实际曲线，即

DIN=a+b×VOUT

(4)

用上述方法求出式(4)中的a和b后，即可在程序中用该公式计算DIN。

3.3 人机交互程序设计

信号源人机交互采用淘晶驰X5系列5 in电阻触摸屏，分辨率为800像素×480像素。程序设计包括界面设计和通信代码编写，编程语言为类C语言，与STM32指令数据通过串口传输。

4 接地和系统调试

本文用到的9 V 1 A电源适配器为单相二脚插头，没有地线。考虑到三相不平衡时，中性线电流不能均衡为零，其中含有大量谐波分量，且中性线导体上存在与地导体压降[10]，本文将电路板地与其他设备共地，令其与整个测量系统共用一个回流地点，有效减小干扰，图11为接地前后频域对比图，可以看出接地后工频干扰减小。

图11 接地前后频域图

完成设备连接后，进行整体系统调试。调试内容包括：

① 72 h不间断硬件拷机测试，确保设备长时间运行稳定性。

② 测量系统与自动化设备联调，记录并测试采集数据中输出逻辑的正确性。电压信号5 min内波动不超过0.01 mV。

经计量部门校准，电压计量0～10 mV设置精度优于0.2 mV，频率计量精度达到0.02%。

5 结束语

基于氢氧发动机试验准备过程中测试需求，设计了一台人机交互式自动化信号源。该信号源用STM32单片机进行控制，实现了2路正弦波频率信号输出，8路模拟电压信号输出，2路高低电平信号输出，每一路输出值均可自动化调整，在满足了现场需求的基础上，最小化设备，减少人工操作，节约时间成本。

信号源输出信号种类和路数较多，满足不同型号发动机试验需求。该类自动化设备的广泛应用，是今后发动机试验的发展趋势之一。